高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电路中的能量转化课文内容ppt课件

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电路中的能量转化课文内容ppt课件，共56页。PPT课件主要包含了课前自主学习，UIt，电流的二次方，通电时间，课堂合作探究，课堂回眸，课堂素养达标等内容，欢迎下载使用。
一、电功和电功率1.电功:(1)定义:电流在一段电路中所做的功。(2)定义式:W=____。(3)单位:焦耳,符号:J(4)实质:_____转化为其他形式的能。(5)适用条件:_____电路。
2.电功率:(1)定义:电流在一段电路中所做的功与通电时间之比。(2)公式:P= =___。(3)单位:瓦特,符号:__。(4)物理意义:表示电流做功的_____。(5)适用条件:_____电路。
二、焦耳定律1.焦耳定律:(1)内容:电流通过导体产生的热量跟_____________成正比,跟导体的_____及_________成正比。(2)表达式:Q = 。(3)适用条件:_____电路。
2.热功率:(1)定义:_____时间内的发热量。(2)表达式:P= 。(3)适用条件:_____电路。
三、纯电阻电路和非纯电阻电路
主题一 电功和电功率任务1 电功【生活情境】在日常生活中,经常会用到家用小电器,例如电吹风、电熨斗等,它们都会分为几挡,像电吹风可以吹暖风和热风,它们都是通过电流做功把电能转化为热能的。【问题探究】电流做功的实质是什么?提示:因电流是自由电荷在静电力作用下定向移动形成的,电流做功实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力做功。
任务2 电功率【实验情境】设加在一个小灯泡两端的电压为U,通过小灯泡的电流为I。
【问题探究】(1)试推导t时间内电流做功的表达式。提示:t时间内通过电路的总电荷量q=It,静电力移动电荷做功W=qU,故t时间内电流做功W=UIt。(2)电流通过用电器时,电流做功越多,说明用电器的电功率越大,这种说法正确吗?提示:不正确。电功率等于电流所做的功跟所用时间的比值,即电流做功的快慢,所以电流做功多,用电器的电功率不一定大。
【结论生成】1.电功、电功率的辨析:(1)电功的大小量度了电能的变化量,标志着电能转化为其他形式能的“多少”。(2)电功率表示电流做功的“快慢”,与电流做功的“多少”意义不相同。电功不仅与电功率有关,还与时间有关。
2.用电器的额定功率和实际功率:(1)额定功率:用电器长期正常工作时的最大功率,也就是用电器在额定电压(或通以额定电流)时消耗的电功率。P额、I额、U额三个量中一个达到额定值,另外两个也达到额定值。(2)实际功率:用电器实际工作时消耗的电功率。灯泡的亮度取决于实际功率,为了使用电器不被烧毁,要求实际功率不能大于其额定功率。
【典例示范】将两个定值电阻R1、R2并联在电压为U的电源两端,R1消耗的功率为P1,R2消耗的功率为3P1,当把它们串联在电压为4U的电源两端时,下列说法正确的是(　　)A.R1两端的电压为UB.R2消耗的功率变小C.通过R2的电流变小D.两个电阻消耗的总功率为12P1
【解析】选D。当R1、R2并联在电压为U的电源两端时,两电阻两端的电压为U,根据P=IU,功率之比等于电流之比,根据并联电路电流和电阻的关系,可知:R1=3R2;当把它们串联在电压为4U的电源两端时,电路中的电流 ,故通过R2的电流不变,电压不变,所以R2的电功率不变,仍为3P1,故B、C错误;R1两端的电压U1=IR1= ×3R2=3U,故A错误;两个电阻消耗的总功率P=U'I=4U× =12P1,故D正确。
【素养训练】如图所示,电路两端的电压U保持不变,电阻R1、R2、R3消耗的电功率一样大,则电阻之比R1∶R2∶R3是(　　) A.1∶1∶1　　　　　　B.4∶1∶1C.1∶4∶4　　　D.1∶2∶2
【解析】选C。由于三个电阻消耗的功率一样大,则有 ,得R2=R3,所以通过R1的电流是通过R2电流的2倍,则有(2I)2R1=I2R2,得R1= 。故R1∶R2∶R3=1∶4∶4,C正确。
【补偿训练】一根电阻丝,通过2 C的电荷量所消耗的电能是8 J,若在相同的时间内通过4 C的电荷量,该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是 (　　)A.4 V,16 J　B.8 V,16 J　C.4 V,32 J　D.8 V,32 J【解析】选D。设电阻丝电阻为R,开始所加电压为U1,则W1=q1U1,即8 J=2 C·U1,所以U1=4 V,设后来所加电压为U2,消耗的电能为W2,则 ,又 ,解得U2=8 V,W2=q2U2=4×8 J=32 J。
主题二 焦耳定律和热功率【生活情境】某同学家中有一只电炉,电阻为50 Ω,当把电炉接到220 V电源上,发热明显。(假设电阻为纯电阻)
【问题探究】(1)在100秒的时间内这只电炉消耗的电能和产生的热量各为多少?提示:W=UIt= t =96 800 JQ=I2Rt=W=96 800 J。(2)公式W=UIt、Q=I2Rt应用时应注意什么?提示:W=UIt普遍适用,而Q=I2Rt只适用于纯电阻电路。
【结论生成】电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻及通电时间成正比。
【典例示范】如图是一种台灯亮度调节器电路图,圆环为电阻丝,P为可调节滑片。下列说法中正确的有(　　)A.P在b点,灯最亮B.P在c点,灯最亮C.P从a点滑向b点过程中,电流逐渐增大D.P从a点滑向b点过程中,电流逐渐减小
【解析】选D。台灯的功率P=I2R,式中R为台灯的电阻,在电源电压不变时,电路中的电流随接入电路中电阻丝长度的改变而改变,当P滑到c点时电阻丝接入电路的电阻最大,电流最小,台灯最暗,故只有选项D正确。
【素养训练】两个电阻R1=8 Ω,R2=2 Ω并联在电路中,要使这两个电阻消耗的电功率相等,可行的办法是(　　)A.用一个阻值为2 Ω的电阻与R2串联B.用一个阻值为6 Ω的电阻与R2串联C.用一个阻值为6 Ω的电阻与R1串联D.用一个阻值为2 Ω的电阻与R1串联
【解析】选A。两个电阻并联,由P= 可知P1∶P2=R2∶R1=1∶4,要使这两个电阻消耗的电功率相等,应使R2的电功率减小为原来的 ;只要使R2两端的电压减半(R2不变),电功率就可以减小为原来的 ,所以串联一个等值电阻(2 Ω)即可,若电阻与R1串联,R1的电压减小,功率更小,两个电阻的功率不可能相等,故A正确。
【补偿训练】给定两只标有“110 V,40 W”的灯泡L1和标有“110 V,100 W”的灯泡L2及一只最大阻值为500 Ω的滑动变阻器R,将它们接在220 V的电路中,在如图所示的几种接法中,最合理的是(　　)
【解析】选C。由L1(110 V,40 W),L2(110 V,100 W),可知R1>R2,由串、并联电路电压特点可知A、D中L1、L2一定不会同时正常发光,虽然B、C能使L1、L2同时正常发光,但B中P总=2(P1+P2),C中P总=2P2,所以选C。
主题三 　纯电阻电路和非纯电阻电路任务1 纯电阻电路和非纯电阻电路【生活情境】生活中有的用电器我们只用来发热,比如电炉、电热水器等,而有一些用电器我们用来做功,比如电风扇、洗衣机等,但它们工作时也会发热。
【问题探究】这些用电器在工作过程中,电能的转化有何不同?提示:有的用电器,电能全部转化为电热,这样的用电器叫纯电阻元件用电器;有的用电器电能转化为电热的同时还转化为其他形式的能,这样的用电器叫非纯电阻元件用电器。
任务2 电动机电路【实验情境】如图电路中,含有一个电阻和一个电动机。
【问题探究】(1)若电动机转动,电路中电能的转化如何?欧姆定律是否还适用?提示:若电动机转动,电能转化为机械能和内能,此时为非纯电阻电路,部分电路欧姆定律不再适用。(2)若电动机不转呢?提示:若电动机不转,则没有电能转化为机械能,此时损失的电能全部转化为内能,这时的电路为纯电阻电路。部分电路欧姆定律适用。
【结论生成】对电动机电路的分析:(1)电动机的总功率(输入功率):P总=UI。(2)电动机的热功率:P热=I2r。(3)电动机的输出功率(机械功率):P出=UI-I2r。(4)电动机的效率:η= ×100%= ×100%=(1- )×100%。
【典例示范】如图所示为电动机提升重物的装置,电动机线圈的电阻r=1 Ω,电动机两端电压为5 V,电路中的电流为1 A,物体A重20 N。忽略一切摩擦,求:(1)电动机线圈电阻消耗的热功率为多少?(2)电动机输入功率和输出功率各是多少?(3)10 s内电动机可以把重物匀速提升多高?(4)这台电动机的机械效率是多少?
【解析】(1)电动机线圈上消耗的热功率为P热=I2r=1 W(2)电动机的输入功率就是电流通过电动机做功的功率,即P入=UI=5×1 W=5 W电动机的输出功率就是电动机对外做机械功的功率,根据P入=P出+P热,得P出=P入-P热=5 W-1 W=4 W
(3)设物体A的重力为G,t=10 s内物体上升的高度为h,根据能量守恒定律得P出t=Gh,故h= = m=2 m(4)这台电动机的机械效率为η= ×100%= ×100%=80%答案:(1)1 W　(2)5 W　4 W　(3)2 m　(4)80%
【规律方法】含电动机电路的求解思路(1)由P入=UI求出电动机的输入功率。(2)电动机总功率等于热功率与输出功率之和,由P出=Fv求出电动机的输出功率,然后求出线圈的热功率。(3)由热功率公式P热=I2r的变形公式求出线圈电阻。
【素养训练】1.(多选)(2020·江苏高考)某汽车的电源与启动电机、车灯连接的简化电路如图所示。当汽车启动时,开关S闭合,电机工作,车灯突然变暗,此时(　　)A.通过车灯的电流变小B.路端电压变小C.电路的总电流变小D.电源的总功率变大
【解析】选A、B、D。开关闭合时,车灯变暗,故流过车灯的电流I灯变小,A正确;电路的路端电压为U路=U灯=I灯R灯,I灯变小,路端电压变小,B正确;总电流即干路电流为I干= = ,U路减小,干路电流增大,C错误;电源总功率为P总=EI干,I干增大,总功率变大,D正确。
2.在研究微型电动机的性能时,可采用如图所示的实验电路。当调节滑动变阻器R,使电动机停止转动时,电流表和电压表的示数分别为0.5 A和1.0 V;重新调节R,使电动机恢复正常运转时,电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V。求这台电动机正常运转时的输出功率和电动机的线圈电阻。
【解析】当电流表和电压表的示数为0.5 A和1.0 V时,电动机停止工作,电路中只有电动机的内阻消耗电能,其阻值r= = Ω=2 Ω。当电动机正常工作时,电流表、电压表示数分别为2.0 A和15.0 V,则电动机的总功率P总=U2I2=15.0×2.0 W=30.0 W,线圈电阻的热功率P热= =2.02×2 W=8.0 W,所以P出=P总-P热=30.0 W-8.0 W=22.0 W。答案:22.0 W　2 Ω
【补偿训练】一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压为220 V的交流电源上(其内电阻可忽略不计),均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0 A,通过洗衣机电动机的电流是0.50 A,则下列说法中正确的是(　　)A.电饭煲的电阻为44 Ω,洗衣机电动机线圈的电阻为440 ΩB.电饭煲消耗的电功率为1 555 W,洗衣机电动机消耗的电功率为155.5 WC.1 min内电饭煲消耗的电能为6.6×104 J,洗衣机电动机消耗的电能为6.6×103 JD.电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍
【解析】选C。由于电饭煲是纯电阻用电器,所以R1= =44 Ω,P1=UI1=1 100 W,其在1 min内消耗的电能W1=UI1t=6.6×104 J,洗衣机为非纯电阻用电器,所以R2≠ ,P2=UI2=110 W,其在1 min内消耗的电能W2=UI2t=6.6×103 J,其热功率P热≠P2,所以电饭煲发热功率不是洗衣机电动机发热功率的10倍。综上可知C正确。
1.一台电动机,额定电压是220 V,线圈电阻是1 Ω。正常工作时,通过的电流为5 A,则电动机因发热损失的功率为(　　)A.48 400 W　　　　　　　　　B.1 100 WC.220 WD.25 W【解析】选D。电动机因发热损失的功率P=I2R=52×1 W=25 W,故选项D正确。
2.如图所示为甲、乙两灯泡的I-U图像,根据图像,计算甲、乙两灯泡并联在电压为220 V的电路中,实际发光的功率约为(　　)A.15 W、30 WB.30 W、40 WC.40 W、60 WD.60 W、100 W
【解析】选C。由图像的横坐标U=220 V可找出对应的纵坐标I的值分别为I甲=0.18 A,I乙=0.28 A,则P甲=I甲U≈40 W,P乙=I乙U≈60 W,C正确。
【补偿训练】(多选)如图所示,把四个相同的灯泡接成甲、乙两种电路后,灯泡都正常发光,且两个电路的总功率相等,则关于这两个电路中的U甲、U乙和R甲、R乙之间的关系,正确的是(　　)A.U甲>2U乙　　 B.U甲=2U乙 C.R甲=4R乙 D.R甲=2R乙
【解析】选B、C。设灯泡正常工作时两端电压为U,通过的电流为I,则有U甲I=U乙×2I,得U甲=2U乙,A错误,B正确;因两电路的总功率相等,又知四个灯泡相同且均正常发光,则它们的实际功率相等,可得两电阻的功率也相等,则有I2R甲=(2I)2R乙,得R甲=4R乙,C正确,D错误。
3.如图所示,有一内电阻为4.4 Ω的电解槽和一个标有“110 V 60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V的直流电路两端,灯泡正常发光,则(　　) A.电解槽消耗的电功率为120 WB.电解槽的发热功率为60 WC.电解槽消耗的电功率为60 WD.电路消耗的总功率为60 W
【解析】选C。灯泡能正常发光,说明电解槽和灯泡均分得110 V电压,且干路电流I=I灯= = A,则电解槽消耗的功率P=P灯=60 W,C对,A错;电解槽的发热功率P热=I2R=1.3 W,B错;整个电路消耗的功率P总=220 V× A=120 W,D错误。
4.如图所示,用一直流电动机提升重物,重物的质量为m=10 kg,电源供电电压恒为220 V,电路中的保护电阻R=10 Ω,电动机的电阻r=1 Ω,不计各处摩擦,电动机正常工作时电压表的示数为170 V,求:(g取10 m/s2)(1)电动机正常工作后通过电动机的电流是多少?(2)重物匀速上升的速度是多少?
【解析】(1)R两端的电压UR=220 V-170 V=50 V通过电动机电流I=IR= =5 A。(2)对电动机:P电=UI=170×5 W=850 WP内=I2r=5×5×1 W=25 WP机=P电-P内=825 W又因为电动机匀速提升重物,所以P机=Fv=mgv,即v=8.25 m/s。答案:(1)5 A　(2)8.25 m/s
【补偿训练】 养生壶采用高科技温控和过热保护系统,无需看管,全自动保温。如图甲所示是小梦家的养生壶,它有高挡、低挡、保温三个功能,如表乙是其部分参数,图丙是它的高挡和低挡的工作电路图,其中R1、R2为定值电阻,R1=33 Ω。 乙
(1)求该养生壶低挡时的电功率是多少? (2)小梦某次煲汤时,先用高挡加热总质量为2 kg的水和大米混合物,使温度从20 ℃上升到100 ℃,然后换低挡加热,最后保温,图丁是工作信息图。 求该养生壶用高挡加热的效率是多少?[水和大米混合物的比热容c=4.2×103 J/(kg·℃)]　
【解析】(1)当开关S、S1闭合时,R1被短路,R2单独工作,处于高挡工作状态,由题知此时的功率为P高=550 W 由公式P=UI和I= 得P= R2的电阻为:R2= = =88 Ω 当开关S闭合,S1断开时,R1和 R2串联,处于低挡工作状态,此时电路的总电阻为: R=R1+R2=33 Ω+88 Ω=121 Ω 该养生壶低挡时的电功率是: P低= = =400 W